基于节段模型测力方法的塔式起重机风荷载特性研究

塔式起重机被广泛应用于铁道工程和土木工程施工过程,属于高耸结构体系,风荷载是塔式起重机结构设计的控制性荷载。为完善《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—2017)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的塔式起重机斜风向设计风荷载计算方法,解决风向、吊臂、平衡臂位置等因素对塔式起重机遮挡和干扰引起的设计风荷载计算问题。选取平头塔式起重机为研究对象,对塔身、吊臂、平衡臂进行多工况的节段模型测力风洞试验,研究湍流强度、节段干扰和遮挡等因素对塔式起重机节段风荷载特性的影响规律,研究不同风向下节段阻力系数分布规律,对比标准化阻力系数与当前主要规范的异同,进而探讨节段斜风向标准化阻力系数计算方法。研究结果表明湍流强度对节段阻力系数影响较小,可忽略,而平衡臂和吊臂相邻节段的干扰会减小测试节段的阻力系数;在斜风向下,由于吊臂和平衡臂之间存在相邻节段干扰,国内外规范方法的计算值均会大于干扰工况的节段风洞试验值;当前主要国家规范规定的垂直风向塔身、吊臂、平衡臂阻力系数与风洞试验测得的阻力系数值较为接近,基于风洞试验结果给出典型风向的塔式起重机各节段的风荷载系数取值可用于结构设计;基于风洞试验测试结果推导的塔式起重机斜风向风荷载计算方法具有较好的拟合效果。研究成果可推荐相关工程应用,可为相关规范的修改或补充提供参考。

计及尾流的风电场智能等效建模及偏航优化控制

大型风电场中存在的尾流干扰会降低风电场整体输出功率,因此需要对风电场建立等效模型,并通过优化尾流分布来提升风电场整体功率输出能力。在所提出的新型风电场偏航优化框架中,提出了一种利用参数监督学习和正则化技术改进的径向基函数神经网络算法,并建立了面向多自由度偏航控制的风电场功率转换智能等效模型。在该模型的基础上,定义了以风电机组偏航角为决策变量的场级最大输出功率优化问题,提出了一种改进的精英多种群遗传算法并进行优化求解,得到各机组偏航角优化值以减少机组间尾流干扰。利用实际风电场布局和风况数据进行了仿真测试。结果表明:所建立的风电场功率转换智能等效模型与其实际特性吻合良好,在特定风况下,偏航优化控制使得风电场总功率提升718.79 kW;连续风况下,所提优化控制方法在不同风况下均有明显的优化效果,风电场总功率平均提升1208 kW,验证了所提出的新型风电场偏航优化框架在提升风电场整体输出功率上的优越性。

场间尾流对风电场发电量的影响

风力机的主动偏航可以使尾流偏转,从而减小尾流对下游风力机的冲击。尾流效应会增大风力机的疲劳载荷和功率损失,上游风电场的尾流不断叠加,在风电场间形成大规模的尾迹簇,对下游风力机载荷和功率影响更加明显。为明确风电场间尾流的影响,使用WFsim仿真了偏航与未偏航时,上游风电场尾迹簇在场间和下游风电场的尾迹变化以及单个风力机的平均功率变化。以12 m/s为仿真风速,对2个相隔15D和20D的风电场进行了偏航和没有偏航的仿真分析,结果表明偏航可以大度幅提升下游风电场首排风力机的功率输出,并对之后的风力机影响相对较小,这意味着场间尾流主要影响下游风电场的首排风力机。另外,增大风电场间距可有效减小场间尾流影响。

偏航工况下水平轴风力机尾流时序特征实验研究

风力机的尾流效应会导致整个风电场风速分布不均匀。为研究风力机尾流效应的规律性,对比0°、15°、30°不同偏航角工况下的风力机尾流速度开展风洞实验研究。分析风力机尾流时序特征的同时,采用最大信息化理论统计方法分析风力机水平方向上特征测点位置的相关性。结果表明,不同偏航工况下,风力机下游尾流径向方向上速度的相互影响不同,同时风力机展向方向的不同距离处,同一特征测点速度也存在不同的相互影响;且随偏航角的增大,尾流宽度增大,尾流逐渐恢复。

考虑尾流效应的漂浮式风电场偏航优化控制策略研究

风电场内部尾流相互作用影响下游风力发电机组的流入风速,为了降低尾流效应对漂浮式风电场发电量的影响,提出了考虑尾流效应的漂浮式风电场偏航优化控制策略。针对偏航状况下尾流恢复速度变化以及对下游机组尾流影响的特殊性,建立高斯卷曲混合尾流模型。考虑偏航工况对叶片位移、叶根载荷以及平台运动的影响,设定机组偏航角范围为约束条件,利用连续最小二乘(SLSQP)优化算法,以整场发电量最大为目标函数,偏航角为优化变量,优化获得风电场内每台机组最优偏航角以及各台机组发电量。仿真结果表明,所提控制策略可有效提高风电场整场发电量。

1400m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究

为寻找合理可行的颤振控制气动措施,使超千米跨径斜拉桥的颤振临界风速超过80m/s,以主跨1 400 m的钢箱梁斜拉桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验对中央稳定板、中央开槽、悬臂水平分离板、风嘴锐化等各种超千米斜拉桥颤振控制气动措施的效果进行了研究。研究表明:1.5 m悬臂水平分离板加40°锐化风嘴角的颤振控制组合气动措施,能够显著改善桥梁的颤振性能、实现颤振临界风速不低于80 m/s的目标;从颤振稳定性角度验证了1 400 m斜拉桥方案的可行性;超千米斜拉桥的颤振稳定性的富余度往往不高,设计必须考虑斜风效应的不利影响。

风雨下考虑偏航效应风力机流场及气动载荷

为了研究狂风暴雨环境中大型风力机在复杂工况下的流场特性和气动性能,以南京航空航天大学自主研发的5 MW风力机塔架-叶片体系为例,采用计算流体动力学(CFD)技术开展最不利叶片停机位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机风场模拟,添加离散相模型(DPM)开展风-雨耦合同步迭代计算,对比研究不同偏航角对风力机周围风场和雨场特性的影响规律.建立不同偏航角下的风-雨等效压力系数新模型,给出相应的公式,针对风雨作用下的不同偏航角工况塔架和叶片表面等效压力系数进行系统分析.研究结果表明,附加雨荷载效应对该类风力机叶片迎风面和塔架迎风面两侧各40°区域内压力的影响不容忽视.

考虑叶片偏航和干扰效应大型风力机体系风振响应与稳定性分析

叶片偏航和干扰会显著改变大型风力机表面气动力分布模式,进而影响风力机体系的风振响应和稳定性能.以某5 MW大型风力机为研究对象,首先采用大涡模拟(LES)方法进行了最不利叶片位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机体系流场和气动力模拟,并与规范及国内外实测结果进行对比验证了大涡模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法系统分析了不同偏航角下风力机塔架-叶片耦合模型的动力特性、风振响应和稳定性能.结果表明:不同偏航角下塔架径向位移均值和均方差的最大值均出现在塔架环向0°和180°处,最大塔底弯矩均出现在环向20°处.0°偏航时各叶片顺风向位移响应极值均大于2.7 m,随着偏航角的增大,塔架顶部径向位移、叶片顺风向位移和叶片根部内力的均值及均方差均逐渐减小,而临界风速则呈现先减后增再减小的趋势.综合表明:0°偏航角下风力机体系气动性能和风振响应均最为不利,45°偏航角下风力机体系的稳定性能最为不利.

偏航工况下叶片翼型动态特性研究

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟(LES)方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明:风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。

考虑偏航效应大型风力机风-雨致结构响应与稳定性能研究

以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机为研究对象,首先基于CFD技术模拟了不同偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)下风力机体系周边风场,验证风场有效性后添加离散相模型(DPM)并进行风-雨双向耦合迭代计算,然后对比研究不同偏航角对塔架和叶片表面风驱雨量、雨滴附加作用力以及等效压力系数等的影响规律。在此基础上,结合有限元方法重点对风作用和风雨共同作用下不同偏航角工况的大型风力机体系结构响应、屈曲稳定以及极限承载能力等进行定性和定量的对比分析。研究表明:偏航角的改变会显著影响风力机体系的流场特性与受力性能,风-雨荷载共同作用增大了体系结构位移以及内力响应,同时降低了风力机整体屈曲稳定和极限承载能力。上述结论可为此类风力机在极端气候和复杂工况下的荷载预测提供参考。

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。

基于高斯模型的海上风电场尾流效应评估及偏航优化

风电场尾流效应可导致位于下游方位风力机处来流风速减小,进而造成全局出力下降。为准确评估尾流效应对全局出力影响,提出一种基于蒙特卡洛抽样的尾流效应评估方法。首先在现有单尾流模型的基础上考虑尾流叠加效应,然后在MATLAB环境下构建三维高斯尾流叠加模型,最后以此为基础,引入蒙特卡洛随机抽样评估尾流效应对风电场出力的影响。仿真结果显示风电场全局出力及效率会因尾流效应而明显下降。为减小尾流效应影响,引入偏航措施,提出了一种基于遗传算法的最优偏航策略,利用偏航角引起的尾流域偏转来减小尾流对下游风力机影响,随后研究在不同来流风情况下最优偏航策略的变化规律及其对风电场的全局出力提升效果。仿真结果表明该方法可使风力下游方位风力机远离尾流效应尖峰区,从而实现风电场全局出力的显著提高。

大型风机风向补偿算法研究

为提高风电设备的风能转化率,实现在不增加硬件成本条件下提高发电量,研究了风向优化补偿算法。首先在研究尾流影响风向测量误差的过程中,明确了偏航误差的层流成分和湍流成分,建立了切向诱导因子补偿算法补偿层流成分误差,同时引入了卡尔曼滤波算法补偿湍流成分误差。然后建立了算法效果验证方式和验证指标。最后依托项目组实验条件进行了算法验证。结果表明,风向补偿算法在不增加硬件设备的情况下,可提高风机对风准确率30.36%,提高最优发电工况发电量2.82%。

水平轴风力机偏航气动性能分析

基于计算流体力学方法(CFD),采用带Gamma-Theta转捩的T-SST湍流模型,对NREL PhaseⅥ风力机在9个偏航角的气动特性进行了全三维非定常数值模拟。计算的功率与实验值吻合较好。提取了叶片截面翼型几何攻角和有效攻角,分析了不同偏航角下风轮的功率、推力,以及叶片沿展向各截面压力分布和法向力载荷系数的变化规律。偏航工况下,在旋转周期内,风轮功率、推力呈现2P波动性质,叶片气动载荷沿旋转方向呈现余弦交变性质。轴向来流工况时,叶片绕流的三维效应不明显。随着偏航角增大,三维迟滞回环越来越明显,且逐渐从内叶展过渡到中叶展,外叶展的迟滞效应不明显。

大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析

大型水陆两栖飞机AG600的动力装置为安装在机翼上的4台同向旋转涡轮螺旋桨发动机,针对1:15缩比模型带动力风洞试验显示的螺旋桨滑流对侧风起降状态的偏航力矩不稳定影响,对全机带动力风洞试验模型进行了大规模并行非定常数值计算,再现了风洞试验现象,通过流动机理分析明确其产生原因主要是左侧滑时右外翼分离和垂尾背鳍涡破裂,这些原因和数值模拟的准确性也为后期的风洞试验所证实。考虑到模型风洞试验中尺度限制造成的低雷诺数和高螺旋桨转速,为保证飞行安全,继续采用该非定常方法对全尺寸飞机真实侧风起降状态进行了详细数值分析和偏航稳定性评估。研究结果显示,在飞行雷诺数和螺旋桨转速下,相同侧风范围内风洞试验显示的流动不稳定因素基本消失,偏航稳定性允许的侧风范围明显增加。本研究实现了四发螺旋桨飞机起降状态横向气动特性的滑流影响非定常数值分析,建立了基于计算流体力学的风洞与飞行雷诺数效应的相互关系,进行了偏航稳定性的虚拟试飞评估,研究成果也为AG600飞机的首飞和飞行试验所验证。